離心壓縮機(jī)振動故障分析與診斷案例

文定良WEN Ding-liang（神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，包頭 014010）

離心壓縮機(jī)振動故障分析與診斷案例

文定良
WEN Ding-liang
（神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，包頭 014010）

針對某煤化工廠甲醇裝置合成氣壓縮機(jī)運(yùn)行中存在振動異常的實(shí)際情況，利用大機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)，從產(chǎn)生異常的機(jī)理分析入手，對合成氣壓縮機(jī)組振動異常波動故障進(jìn)行了分析，提出了在機(jī)組不停機(jī)檢修情況下排除故障的有效措施。生產(chǎn)實(shí)踐表明該項措施對降低振動幅值、減少振值波動、保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

合成氣壓縮機(jī)；結(jié)蠟；振動；故障診斷；氣流擾動；摩擦

0　引言

離心式壓縮機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中的許多領(lǐng)域占據(jù)著非常重要的地位［1］，特別是在石油、化工、冶金等行業(yè)，保證離心式壓縮機(jī)的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)的運(yùn)行意義重大。從離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行及發(fā)展史來看，由于其產(chǎn)生故障導(dǎo)致機(jī)組停車影響生產(chǎn)、甚至機(jī)毀人亡的案例頻頻發(fā)生［2～3］。在離心式壓縮機(jī)的各種故障異常中，最常見的故障是振動異常，引起振動異常的原因又是多樣性的，甚至很多時候是需要停機(jī)查找故障原因，而停車造成的損失往往難以估計。因此在保證機(jī)組正常運(yùn)行的情況下，準(zhǔn)確分析出引起故障的原因并給出可行的解決方案需求迫切。本文嘗試在現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境且保證機(jī)組不停機(jī)的狀態(tài)下，利用大機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)，對其振動異常進(jìn)行分析與診斷，確定引起機(jī)組故障的原因，提出機(jī)組在不停機(jī)狀態(tài)下的處理方法，以保障離心式壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1　甲醇合成裝置及機(jī)組概況

甲醇裝置是煤化工生產(chǎn)裝置之一，一般由國外某公司提供工藝包設(shè)計。甲醇裝置利用上游凈化裝置提供的合格合成氣為下游MTO裝置生產(chǎn)出合格的生產(chǎn)原料MTO級甲醇，同時也可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要抽出部分粗甲醇生產(chǎn)精甲醇。合成氣及循環(huán)氣壓縮機(jī)是裝置的關(guān)鍵設(shè)備，因此對設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有著較高的要求。該機(jī)組的工藝流程簡圖如圖1所示。

甲醇合成氣壓縮機(jī)組屬于離心機(jī)，采用垂直剖分結(jié)構(gòu)，葉輪級5+2。驅(qū)動機(jī)為四沖動四反動凝汽式汽輪機(jī)。甲醇合成氣壓縮機(jī)軸承振動測點(diǎn)布置如圖2所示。壓縮機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

圖1　甲醇工藝流程圖

圖2　甲醇合成氣壓縮機(jī)軸承振動測點(diǎn)布置圖

表1　壓縮機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)

合成氣壓縮機(jī)組采用的平衡盤為國外某公司設(shè)計生產(chǎn)，在平衡盤的外緣安裝防旋繞的氣封，可以消除不穩(wěn)定的振動因素，同時減少氣體的泄漏量。該機(jī)組增加防止擾動設(shè)計，目的是隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，氣體出口壓力的提高，逆轉(zhuǎn)向切向力不斷增強(qiáng)，逐步抑制由于渦流帶來的激振力，使振動不斷遞減，能夠有效的抑制壓縮機(jī)的振動。防旋擾式平衡盤設(shè)計如圖3所示。

2　故障及原因分析

圖3　防旋擾式平衡盤設(shè)計圖

2.1故障描述

甲醇合成氣壓縮機(jī)組在大修停機(jī)前壓縮機(jī)振動多次出現(xiàn)波動，隨后恢復(fù)正常，但壓縮機(jī)泄漏量增大，機(jī)組的效率和流量都沒有達(dá)到設(shè)計要求。開蓋發(fā)現(xiàn)平衡盤密封全部磨損，內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)蠟現(xiàn)象，檢修圖片如圖4所示。完成檢修后按照正常程序啟動機(jī)組。啟機(jī)后發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)非聯(lián)端振動出現(xiàn)小幅度波動，持續(xù)一段時間后振值趨于平穩(wěn)，機(jī)組保持穩(wěn)定運(yùn)行。但在一次提負(fù)荷操作后，壓縮機(jī)非驅(qū)動端振動監(jiān)測點(diǎn)152VI2304B出現(xiàn)波動，正常運(yùn)行時，該通道振值為17um左右，此時到達(dá)84.76um，波動結(jié)束，該通道振值瞬間恢復(fù)到16.5um左右，同時壓縮機(jī)驅(qū)動端振動值也出現(xiàn)波動現(xiàn)象，但振幅與152VI2304相比較小。距離壓縮機(jī)振值首次波動71分鐘后，其振動值再次出現(xiàn)瞬間波動，振值波動至89um左右，達(dá)到聯(lián)鎖值，壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車，合成系統(tǒng)切氣停車。重新啟機(jī)后，壓縮機(jī)振動隨負(fù)荷增加而上升，由于振值升高，現(xiàn)場機(jī)組不能加載到滿負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組轉(zhuǎn)速一直維持在4900rpm左右運(yùn)行，并且在工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下，壓縮機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)振動向上波動的情況，如圖5所示。

圖4　檢修圖片

圖5　設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

2.2原因分析

在機(jī)組振動異常期間，工廠設(shè)備管理人員利用現(xiàn)有的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、排查，但一直無法有效解決問題。為了找到改機(jī)組振動故障的原因，工廠決定在不停機(jī)的情況下在線安裝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對機(jī)組進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，采集機(jī)組的原始振動數(shù)據(jù)，利用專業(yè)圖譜進(jìn)行分析、診斷。

2.2.1振動特征

監(jiān)測得到的振動趨勢數(shù)據(jù)如圖6所示，壓縮機(jī)四個通道振值均出現(xiàn)不同程度波動。振值出現(xiàn)異常波動時刻的時域和頻域圖譜如圖7和圖8所示，振動成分主要為0.47～0.56倍頻。以上振值波動、上升都是由低頻成分引起，在壓縮機(jī)振動異常時，其前后軸承的軸心軌跡也非常雜亂，不規(guī)則，如圖9所示。同時壓縮機(jī)振動幅值隨負(fù)荷的增加而升高，如表2所示。參考各年大修記錄，密封磨損，間隙增大，波動消失。壓縮機(jī)檢修前后振動數(shù)據(jù)如表3所示。

圖6　壓縮機(jī)振動趨勢圖-通頻值

圖7　壓縮機(jī)波形頻譜圖-聯(lián)端

圖8　壓縮機(jī)波形頻譜圖-非聯(lián)端圖

圖9　壓縮機(jī)軸心軌跡圖

2.2.2故障原因初步分析

工作轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)軸振0.47～0.56倍頻占主導(dǎo)，引起此頻段異常波動的因素主要有：壓縮機(jī)喘振、油膜、氣流。機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行時，壓縮機(jī)喘振曲線可能發(fā)生改變，高負(fù)荷運(yùn)行時的調(diào)整裕量小，在負(fù)荷調(diào)整過程中操作沒有跟上，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上升，循環(huán)量下降的工況，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)分離狀態(tài)運(yùn)行，可能短時產(chǎn)生了喘振。檢查壓縮機(jī)振值異常波動時間段控制系統(tǒng)防喘振閥動作，發(fā)現(xiàn)防喘振閥無動作。同時將壓縮機(jī)振值異常波動時刻性能曲線及喘振曲線進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者相離很遠(yuǎn)，如圖10所示。說明防喘振閥未出現(xiàn)故障、喘振曲線未發(fā)生改變，壓縮機(jī)未進(jìn)入喘振區(qū)。從頻譜圖可知，低頻成分雖占主導(dǎo)，但遠(yuǎn)超過油膜振蕩的特征頻率，且現(xiàn)場改變潤滑油油壓及粘度，壓縮機(jī)振值依舊出現(xiàn)波動情況。由此，更傾向于認(rèn)為壓縮機(jī)振值異常波動是和氣流有關(guān)。

表2　壓縮機(jī)振動-負(fù)荷表

表3　壓縮機(jī)振動數(shù)據(jù)表

圖10　壓縮機(jī)運(yùn)行期間放喘振曲線圖

2.2.3故障原因的認(rèn)定

結(jié)合合成氣壓縮機(jī)停機(jī)大修情況及實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，壓縮機(jī)一段入口處結(jié)蠟頻繁，并伴隨著介質(zhì)一同進(jìn)入密封，會使防旋擾式平衡盤外緣的氣封通孔堵塞，當(dāng)氣體以一定的速度進(jìn)入密封時會隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的周向速度，導(dǎo)致氣體在密封腔中形成了不均勻的壓力分布，分布壓力的合力形成了一個與位移相垂直的切向合力，引起轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)振動［4］。故判定壓縮機(jī)振動幅值不定期且無規(guī)則波動是由壓縮機(jī)內(nèi)氣流擾動影響壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)造成。這種擾動隨著轉(zhuǎn)速的增加會被逐級放大，最后導(dǎo)致壓縮機(jī)振值聯(lián)鎖停車。

經(jīng)現(xiàn)場檢查，壓縮機(jī)出口密封器有液體排出。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行時，干氣密封運(yùn)轉(zhuǎn)，靜環(huán)和動環(huán)之間形成了間隙很小的氣膜，此時如果有液體進(jìn)入密封面的間隙內(nèi)，就會改變干氣密封的工作條件，密封面就會發(fā)熱，由于密封面的溫度差，導(dǎo)致密封面產(chǎn)生熱變形，就會造成密封的動、靜環(huán)端面粘合，從而改變氣膜的剛度。現(xiàn)場對壓縮機(jī)入口分離器進(jìn)行檢查，懷疑其分離效果不佳造成此現(xiàn)象。

對合成氣壓縮機(jī)組進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測圖譜如圖11～圖14所示，壓縮機(jī)振值再一次出現(xiàn)不定期、無規(guī)律輕微波動，1倍頻幅值較平穩(wěn)，無波動，幅值主要以0.5倍頻占主導(dǎo)，時域波形略帶毛刺尖角，壓縮機(jī)兩端的軸心軌跡不規(guī)則，發(fā)散，但未出現(xiàn)反進(jìn)動的情況。分析壓縮機(jī)出現(xiàn)輕微碰摩情況，機(jī)壓縮機(jī)發(fā)生碰摩現(xiàn)象時的轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速之上，振動點(diǎn)與產(chǎn)生碰摩的不平衡力之間的滯后角小于90°，振動幅值會相對變小，不會出現(xiàn)嚴(yán)重碰摩現(xiàn)象。

當(dāng)動靜部件發(fā)生碰摩時，軸表面會受到摩擦力沖擊，此力為非連續(xù)、非穩(wěn)態(tài)沖擊力，在此作用下，振動波形將會畸變，軸心軌跡變得紊亂。當(dāng)發(fā)生摩擦的時候，摩擦部位會產(chǎn)生高溫，由于摩擦不均勻，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面溫度分布不均勻，引起熱變形，產(chǎn)生熱沖擊，且危害比沖擊更大。特別是離心壓縮機(jī)剛啟動時就會發(fā)生碰摩，由于摩擦產(chǎn)生的熱平衡量與轉(zhuǎn)子殘余不平衡量疊加后大于殘余不平衡量，所以摩擦?xí)M(jìn)一步加劇，轉(zhuǎn)子新的不平衡量再增大，當(dāng)機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)越來越彎曲的情況，導(dǎo)致摩擦更加劇烈，當(dāng)運(yùn)行一段時間后，導(dǎo)致摩擦的不平衡量消失，進(jìn)而動靜部件分離，碰摩現(xiàn)象就會隨之消失。當(dāng)發(fā)生碰摩時，轉(zhuǎn)子的振動將取決于其熱不平衡量與殘余不平衡量的矢量之和，因轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，矢量大小和方向會發(fā)生不斷的變化，進(jìn)而導(dǎo)致振動幅值和相位發(fā)生不斷的變化，會出現(xiàn)不同的特征［5］。

圖11　壓縮機(jī)振動趨勢圖-通頻值

圖12　壓縮機(jī)波形頻譜圖-壓縮機(jī)聯(lián)端

圖13　壓縮機(jī)波形頻譜圖-壓縮機(jī)非聯(lián)端

圖14　壓縮機(jī)軸心軌跡圖

3　現(xiàn)場采取措施

綜合分析，為了保證工廠核心設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)，現(xiàn)場決定加大對甲醇合成水冷卻器在線除蠟密度、加強(qiáng)對合成段密封器系統(tǒng)的排液，確保連續(xù)排液并盡量減少排放腔體內(nèi)的液體，每次需要改變運(yùn)行狀態(tài)時緩慢操作，并在升減負(fù)荷的時候緩慢進(jìn)行。

現(xiàn)場處理反饋：裝置除蠟后，合成氣壓縮機(jī)的振動幅值沒有異常的波動，經(jīng)過2次升降轉(zhuǎn)速后，壓縮機(jī)振動幅值最高不超過35微米，現(xiàn)在壓縮機(jī)的振動幅值小于20微米，如圖15所示。再一次除蠟后，壓縮機(jī)的振動出現(xiàn)振動緩慢上升的情況，壓縮機(jī)振動幅值最高不超過30微米，最低高于15微米，如圖16所示。到目前為止，機(jī)組在未停機(jī)的狀態(tài)通過以上處理，機(jī)組已可滿負(fù)荷運(yùn)行，保證生產(chǎn)。

4　結(jié)束語

通過監(jiān)測系統(tǒng)及現(xiàn)場實(shí)際情況對合成氣壓縮機(jī)組振動異常波動故障進(jìn)行了分析，通過對轉(zhuǎn)子振值不同波動程度和機(jī)組不同負(fù)荷下頻域特征的分析，判明該壓縮機(jī)振值異常波動是由于氣流擾動引起壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)失穩(wěn)造成的。在不停機(jī)的情況下，通過加大對壓縮機(jī)一段入口處除蠟密度，改善了壓縮機(jī)組振值異常波動的情況。同時加強(qiáng)對合成段密封器系統(tǒng)的排液，確保連續(xù)排液并盡量減少排放腔體內(nèi)的液體。通過長期監(jiān)測該機(jī)組的振值情況，驗證表明壓縮機(jī)振動異常波動故障原因正確。在保證了機(jī)組不停機(jī)的前提下，找到了故障的原因是平衡盤氣流擾動所致，并提出了現(xiàn)場切實(shí)可行的解決方案，保證了工廠的穩(wěn)定生產(chǎn)、使企業(yè)的積極效益達(dá)到了最大化。

大機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)已在石油、化工、電力、冶金等行業(yè)得到應(yīng)用，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”的可靠運(yùn)行提供保障和技術(shù)手段。實(shí)施應(yīng)用大機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)，可有效幫助企業(yè)提升設(shè)備管理水平，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖15　壓縮機(jī)振動趨勢圖

圖16　壓縮機(jī)振動趨勢圖

［1］ 徐朝蓉，徐自力，邱恒斌，趙宇.離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子密封碰摩故障的振動特征及診斷［J］.噪聲與振動控制，2015，6.

［2］ 陳總?cè)A，秦云龍，梁曉剛，等.石化行業(yè)大型離心式壓縮機(jī)組安全運(yùn)行研究［J］.化工裝備技術(shù)，2005，26（2）:57-70.

［3］ 候海云.大型回轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2006，4:98-101.

［4］ Pinsley.Active Stabilization of Centrifugal Cpmpressor surge［J］. Journal of Turbo Maehinery，1990，1（113）:723-732.

［5］ 沈心敏.摩擦學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

Centrifugal compressor vibration fault analysis and diagnosis example

TP277

A

1009-0134（2016）06-0137-06

2016-04-28

文定良（1964 -），男，湖南人，高級工程師，工程碩士，主要從事石油化工及煤化工的設(shè)備管理和工程管理工作。